第一篇：納米材料制備的小論文選題

納米材料制備課程的小論文

論文要求：通過查閱文獻(xiàn)，寫出一篇不少以3000字的科技小論文，小論文內(nèi)容不得重復(fù)，若發(fā)現(xiàn)重復(fù)內(nèi)容超過50%的論文，按0分處理。論文選題如下，若有的同學(xué)對其它選題（下述沒有包涵的選題）感興趣也可以寫。一班 1-10號(hào)：

（1）碳納米管的性能與在某一方面應(yīng)用的研究進(jìn)展；如在儲(chǔ)氫，高能電池，計(jì)算機(jī)，高溫防護(hù)材料等方面。

（2）石墨烯的特性與在某一方面應(yīng)用的研究進(jìn)展。如納米電子器件，光子傳感器等方面。11-20號(hào)

（3）納米二氧化硅的特性與其在有一方面的研究進(jìn)展。（4）納米氧化鋅在某一方面的研究進(jìn)展。21-30號(hào)

（5）納米硫化鋅在某一方面的研究進(jìn)展（6）納米顆粒的研究進(jìn)展及在某一方面的應(yīng)用。二班 1-10號(hào)

納米復(fù)合纖維在某一方面應(yīng)用的研究進(jìn)展。

這一方面的研究比較廣泛，任選一種納米復(fù)合纖維即可。11-20號(hào)（1）納米儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展（2）納米磁性材料的研究進(jìn)展 21-30號(hào)

（1）納米光學(xué)材料的研究進(jìn)展

（2）納米量子點(diǎn)的研究進(jìn)展及其在某一方面的應(yīng)用。

納米光學(xué)材料的研究進(jìn)展

由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們在磁、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。8.1陶瓷增韌

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。

8.2磁性材料方面的應(yīng)用

磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，人們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。巨磁電阻效應(yīng)是近10年來發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。磁性液體的主要特點(diǎn)是在磁場作用下可以被磁化，可以在磁場作用下運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)它又是液體，具有液體的流動(dòng)性。在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿著外磁場方向形成一定有序排列的團(tuán)鏈簇，從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。當(dāng)光波、聲波在其中傳播時(shí)（如同在各向異性的晶體中傳播一樣），會(huì)產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應(yīng)、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。此外，磁性液體在靜磁場作用下，介電性質(zhì)亦會(huì)呈現(xiàn)各向異性。這些有別于通常液體的奇異性質(zhì)，為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。納米微晶軟磁材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎?yīng)用的各方面，如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開關(guān)、傳感器等，它將成為鐵氧體的有力競爭者。新近發(fā)現(xiàn)的納米微晶軟磁材料在高頻場中具有巨磁阻抗效應(yīng)，又為它作為磁敏感元件的應(yīng)用增添了多彩的一筆。研制納米復(fù)合稀土永磁材料，通常軟磁材料的飽和磁化強(qiáng)度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向異性又遠(yuǎn)高于軟磁材料，如將軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)合，就有可能獲得兼?zhèn)涓唢柡痛呕瘡?qiáng)度、高矯頑力的新型永磁材料。微磁學(xué)理論表明，稀土永磁相的晶粒尺寸只有低于20 nm時(shí)，通過交換糯合才有可能增大剩磁值。

8.3納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～18倍。

8.4納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用

納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等，都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。研究表明，利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，有的得到了推廣應(yīng)用。下面簡要介紹一下各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用。紅外反射材料。高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但是電能的69％轉(zhuǎn)化為紅外線，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來照明。同時(shí)，燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的壽命。如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問題，納米微粒的誕生為解決這個(gè)問題提供了一個(gè)新的途徑。20世紀(jì)80年代以來，人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級(jí)，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅線反射能力。有人估計(jì)這種燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r(shí)，可節(jié)省約18％的電。優(yōu)異的光吸收材料。納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對某種波長的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象。納米微粒粉體對各種波長光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個(gè)特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹脂中制成膜，這種膜對紫外光的吸收能力依賴于納米粒子的尺寸和樹脂中納米粒子的摻加量和組分。目前，對紫外吸收好的幾種材料有：30～40 nm的TiO2納米粒子的樹脂膜、Fe2O3納米微粒的聚酯樹脂膜。前者對400 nm 波長以下的紫外光有極強(qiáng)的吸收能力，后者對600 nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線過濾器隱身材料。由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo)，起到了隱身作用。

8.5在漿料方面的應(yīng)用 納米材料用作導(dǎo)電漿料，導(dǎo)電漿料是電子工業(yè)的原材料，由于納米材料可使塊體材料的熔點(diǎn)大大降低，因此用超銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以在低溫下燒結(jié)，此時(shí)基片可以不用耐高溫陶瓷，甚至可采用塑料等低溫材料。

8.6在精細(xì)化工方面的應(yīng)用

精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來福音，并顯示它的獨(dú)特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。

8.7納米材料在地表水處理中的應(yīng)用

地表水常常遭受泥沙、鐵銹、有機(jī)物、異味污染物、細(xì)菌和病毒等有害物質(zhì)的污染,因此必須進(jìn)行處理,以除去水中的這些物質(zhì),從而滿足人們對清潔水質(zhì)的需求傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高,并且存在著二次污染等問題,污水處理問題一直沒有很好地得到解決為了維護(hù)人類的用水需求,需要更為有效的一些新方法,比如微觀過濾、反轉(zhuǎn)滲透以及光催化等,以替代現(xiàn)有的一些處理方法,同時(shí),也非常需要有效配水和精確監(jiān)測水質(zhì)的新方法和新的膜技術(shù),如自組裝孔洞膜、適應(yīng)性好的膜、光反應(yīng)性膜和具有指示器功能(reporter funct iona lity)的膜等,當(dāng)然也需要在納米過濾(nano filtration)和納米分離(nanoseparation)方面提出新的理論和進(jìn)行模擬研究新的納米復(fù)合材料,測定化學(xué)種類的水純化傳感器以及適應(yīng)性強(qiáng)的多功能納米材料對于實(shí)現(xiàn)上述目的會(huì)很有幫助納米材料和技術(shù)在這些新方法中將發(fā)揮重要作用,納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬,如Au, Pd, Ru和Pt等完全提煉出來,它不僅可以除去貴金屬對人體極其有害的影響,而且還能避免它們從污水中流失所造成的資源浪費(fèi)。

9納米材料的應(yīng)用前景

納米材料的應(yīng)用前景是十分廣闊的，如：納米電子器件，醫(yī)學(xué)和健康，航天、航空和空間探索，環(huán)境、資源和能量，生物技術(shù)等。我們知道基因DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，這種雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑約為幾十納米。用合成的晶粒尺寸僅為幾納米的發(fā)光半導(dǎo)體晶粒，選擇性的吸附或作用在不同的堿基對上，可以“照亮”DNA的結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)像黑暗中掛滿了燈籠的寶塔，借助與發(fā)光的“燈籠”，我們不僅可以識(shí)別燈塔的外型，還可識(shí)別燈塔的結(jié)構(gòu)。簡而言之，這些納米晶粒，在DNA分子上貼上了標(biāo)簽。目前，我們應(yīng)當(dāng)避免納米的庸俗化。盡管有科學(xué)工作者一直在研究納米材料的應(yīng)用問題，但很多技術(shù)仍難以直接造福于人類。現(xiàn)階段納米材料的應(yīng)用主要集中在納米粉體方面，屬于納米材料的起步階段，應(yīng)該指出這不過是納米材料應(yīng)用的初級(jí)階段，可以說這并不是納米材料的核心，更不能將“納米粉體的應(yīng)用”等同與納米材料。

10小結(jié)

納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)是納米技術(shù)的時(shí)代，國家科委、中科院將納米技術(shù)定位為“21世紀(jì)最重要、最前沿的科學(xué)”。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問題。21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學(xué)技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)及資料

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[2]王中林.納米材料表征[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006

[3] 張艷輝．納米材料在化工領(lǐng)域的應(yīng)用[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2008

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第二篇：材料合成與制備論文(納米材料)

碩研10級(jí)20班

材料工程

2010012014

夏春亮

納米材料的制備方法

納米制備技術(shù)是80年代末剛剛誕生并正在崛起的新技術(shù)，其基本涵義是：納米尺寸范圍(10-9～10-7m)內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)造新物質(zhì)。由于納米材料具有奇特的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性能等，目前正受到世界各國科學(xué)家的高度重視。

一、氣相法制備納米微粒

1.濺射法

此方法的原理為：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽極，陰極為蒸發(fā)用材料，在兩電極間充入Ar(40～250Pa)，兩極間施加的電壓范圍為0.3～1.5kV。由于兩極間的輝光放電使Ar粒子形成，在電場作用下Ar離子沖擊陽極靶材表面，使靶材原子從其表面蒸發(fā)出來形成超微粒子，并在附著面上沉積下來。離子的大小及尺寸分布主要取決于兩極間的電壓、電流、氣體壓力。靶材的表面積愈大，原子的蒸發(fā)速度愈高，超微粒的獲得量愈大。

濺射法制備納米微粒材料的優(yōu)點(diǎn)是：1)可以制備多種納米金屬，包括高熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)金屬。常規(guī)的熱蒸發(fā)法只能適用于低熔點(diǎn)金屬；2)能制備出多組元的化合物納米微粒，如A lS2，Tl48，Cu91，Mn9，ZrO2等；通過加大被濺射陰極表面可加大納米微粒的獲得量。采用磁控濺射與液氮冷凝方法可在表面沉積有方案膜的電鏡載網(wǎng)上支撐制備納米銅顆粒。

2.混合等離子法 碩研10級(jí)20班

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夏春亮

此方法是采用RF(射頻)等離子與DC直流等離子組合的混合方式來獲得超微粒子。該制備方法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)產(chǎn)生RF等離子時(shí)沒有采用電極，不會(huì)有電極物質(zhì)(熔化或蒸發(fā))混入等離子體而導(dǎo)致等離子體中含有雜質(zhì)，故超微粒的純度較高；

2)等離子體所處的空間大，氣體流速比DC直流等離子體慢，致使反應(yīng)物質(zhì)在等離子空間停留時(shí)間長，物質(zhì)可以充分加熱和反應(yīng)；

3)可使用非惰性氣體制備化合物超微粒子，使產(chǎn)品多樣化?；旌系入x子蒸發(fā)法制取超微粒子有3種方法： 1)等離子蒸發(fā)法

使大顆粒金屬和氣體流入等離子室，生成超微粒子； 2)反應(yīng)性等離子氣體蒸發(fā)法

使大顆粒金屬和氣體流入等離子室，同時(shí)通入反應(yīng)氣體，生成化合物超微粒子；

3)等離子VCD法

使化合物隨載氣流入等離子室，同時(shí)通入反應(yīng)氣體，生成化合物超微粒子。

例如，將原料Si3N4以4g/min的速度流入等離子室，通入H2進(jìn)行熱分解，再通入反應(yīng)性氣體NH3，經(jīng)反應(yīng)生成Si 3N4超微粒子。

3.激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法(LVCD)LVCD法具有清潔表面，離子大小可精確控制、無粘結(jié)、粒度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，并容易制備出幾納米至幾十納米的非晶及晶態(tài)納米微粒。碩研10級(jí)20班

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夏春亮

目前LVCD法已制備出多種單質(zhì)、化合物和復(fù)合材料超細(xì)粉末，并且已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)階段，美國的MIT于1986年已建成年產(chǎn)幾十噸的裝置。激光制備超細(xì)微粒的工作原理是利用反應(yīng)氣體分子對特定波長激光束的吸收，引起反應(yīng)氣體分子激光光解、激光熱解、激光光敏化和激光誘導(dǎo)化學(xué)合成反應(yīng)，在一定工藝條件下，獲得超細(xì)粒子空間成核和長大。例如，用連續(xù)輸出CO2激光(10.6um)輻照硅烷氣體分子(SiH4)時(shí)，硅烷分子很容易發(fā)生熱解反應(yīng)：SiH4→Si(g)+ 2H2↑，熱解生成的氣相Si(g)在一定工藝條件下開始成核長大，形成納米微粒。

激光制備納米粒子的裝置一般有2種類型：正交裝置和平行裝置。其中正交裝置使用方便，易于控制，工程實(shí)用價(jià)值大，激光束與反應(yīng)氣體流向正交。激光束照在反應(yīng)氣體上形成反應(yīng)焰，經(jīng)反應(yīng)在火焰中形成微粒，由氬氣攜帶進(jìn)入上方微粒捕捉裝置。

4.化學(xué)蒸發(fā)凝聚法(CVC)這種方法主要是利用高純惰性氣體作為載氣，攜帶有機(jī)高分子原料，通過有機(jī)高分子熱解獲得納米陶瓷粉體。例如，六甲基二硅烷進(jìn)入鉬絲爐(溫度為1100～1400℃，壓力為100～ 1000Pa)熱解形成團(tuán)簇，并進(jìn)一步凝聚成納米級(jí)微粒，最后附著在充滿液氮的轉(zhuǎn)動(dòng)的襯底上，經(jīng)刮刀下進(jìn)行納米粉收集。此法具有產(chǎn)量大、顆粒尺寸細(xì)小、分布窄等優(yōu)點(diǎn)。

5.爆炸絲法

基本原理是：先將金屬絲固定在一個(gè)充滿惰性氣體(5MPa)的反應(yīng)室中，絲的兩端卡頭為2個(gè)電極，它們與一個(gè)大電容相聯(lián)結(jié)形成回路，碩研10級(jí)20班

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夏春亮

加15kV的高壓，金屬絲在500～800kA下進(jìn)行加熱，熔斷后在電流停止的一瞬間，卡頭上的高壓在熔斷處放電，使熔斷的金屬在放電的過程中進(jìn)一步加熱變成蒸氣，在惰性氣體碰撞下形成納米粒子沉降在容器的底部，金屬絲可以通過一個(gè)供絲系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入兩卡頭之間，從而使上述過程重復(fù)進(jìn)行。這種方法適用于制備納米金屬和合金粉體。

6.其他方法

近年來，由于納米材料規(guī)?；a(chǎn)以及防止納米粉團(tuán)聚的要求越來越迫切，相繼出現(xiàn)了一些新的制備技術(shù)。例如，氣相燃燒合成技術(shù)就是其中的一種，其基本原理是：將金屬氯化物(MCl)鹽溶液噴入Na蒸氣室燃燒，在火焰中生成NaCl包敷的納米金屬微粒，由于NaCl的包敷使得金屬納離子不團(tuán)聚。另一種技術(shù)是超聲等離子體沉積法，其基本原理是：將氣體反應(yīng)劑噴入高溫等離子體，該等離子體通過噴嘴后膨脹，生成納米粒子，這種方法適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)納米粉。

二、液相法制備納米微粒

1.沉淀法

包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液，當(dāng)加入沉淀劑(如OH-，CrO2-，CO32-等)后，或于一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成的不溶性氫氧化物和鹽類從溶液中析出，將溶液中原有的陰離子洗去，經(jīng)分解即得所需的氧化物粉料。

2.噴霧法

噴霧法是將溶液通過各種物理手段進(jìn)行霧化獲得超微粒子的化學(xué)和物理相結(jié)合的一種方法。其基本過程包括溶液的制備、噴霧、干碩研10級(jí)20班

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燥、收集和熱處理，其特點(diǎn)是顆粒分布比較均勻，但顆粒尺寸為亞微米級(jí)到微米級(jí)，尺寸范圍取決于制備的工藝和噴霧方法。根據(jù)霧化和凝聚過程，噴霧法可分為3種：

1)噴霧干燥法 將金屬鹽溶液或氫氧化物溶膠送入霧化器，由噴嘴高速噴入干燥室獲得金屬鹽或氧化物的微粒，收集，燒成所需成分的超微粒子；

2)霧化水解法 將一種鹽的超微粒子，由惰性氣體載入含有金屬醇鹽的蒸氣室，金屬醇鹽的蒸氣附著在超微粒的表面，與水蒸氣反應(yīng)分解后形成氫氧化物微粒，經(jīng)焙燒可獲得氧化物超細(xì)微粒。這種方法獲得的微粒純度高，分布窄，尺寸可控，具體尺寸大小主要取決于鹽的微粒大小；

3)霧化焙燒法 將金屬鹽溶液由壓縮空氣經(jīng)窄小的噴嘴噴出霧化成小液滴，霧化溫度較高，使金屬鹽小液滴熱解形成超微粒子。

3.凝膠-溶膠法

此法的基本原理是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽水解，溶質(zhì)聚合凝膠后，再將凝膠干燥，煅燒，最后得到無機(jī)材料。本法包括以下幾個(gè)過程：

1)溶膠的制備 有兩種制備方法： 一是先將部分或全部組分用適當(dāng)沉淀劑先沉淀出來，經(jīng)凝聚，使原來團(tuán)聚的沉淀顆粒分散成原始顆粒。這種原始顆粒的大小一般在溶膠體系中膠核的大小范圍內(nèi)，因而可值得溶膠；二是由同樣的鹽溶液，通過對沉淀過程的仔細(xì)控制，使首先形成的顆粒不致團(tuán)聚為大顆粒沉淀，從而直接得到溶膠。

2)溶膠凝膠轉(zhuǎn)化 溶膠中含有大量的水，凝膠過程中，使體系失碩研10級(jí)20班

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夏春亮

去流動(dòng)性，形成一種開放的骨架結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)凝膠作用的途徑一是化學(xué)法，即通過控制溶膠中的電解質(zhì)濃度來實(shí)現(xiàn)凝膠化；二是物理法，即迫使膠粒間相互靠近，克服斥力，實(shí)現(xiàn)凝膠化。

3)凝膠干燥 在一定條件下，使溶劑蒸發(fā)，得到粉料，干燥過程中凝膠結(jié)構(gòu)變化很大。該方法化學(xué)均勻性好，純度高，顆粒細(xì)，可容納不溶性組分或不沉淀組分，烘干后容易形成硬團(tuán)聚現(xiàn)象，在氧化物中多數(shù)是橋氧鍵的形成，球形凝膠顆粒自身的燒結(jié)溫度低，但凝膠顆粒之間的燒結(jié)性差，塊狀材料燒結(jié)性能不好，干燥時(shí)收縮大。

4.濕化學(xué)法

濕化學(xué)法制備納米粉末是目前公認(rèn)的具有發(fā)展前途的制粉方法，也是實(shí)驗(yàn)室常用的手段。濕化學(xué)法的實(shí)驗(yàn)流程如下：

確定納米粉材料→制成含該材料粒子的溶液→用該材料的E-pH圖確定沉淀的pH范圍→將分散劑NH4Cl溶入去離子水中，并用氨水、鹽酸調(diào)節(jié)水溶液至沉淀的pH 值→含該材料離子的水溶液在具有恒定的pH 的沉淀液中霧化→凝膠→水洗，過濾，乙醇脫水→煅燒、研磨→納米粉。

第三篇：小論文納米材料

碳納米管在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用

摘要：碳納米管是一種重要的納米材料，討論了碳納米管在有機(jī)太陽能電池的光活性層及透明電極兩方面的應(yīng)用，綜述了碳納米管獨(dú)特結(jié)構(gòu)、性質(zhì)對其在電池器件性能的影響，并在此基礎(chǔ)上，提出了碳納米管研制工藝的改良方法，展望了碳納米管基有機(jī)太陽能電池今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：碳納米管；太陽能電池；應(yīng)用

Application of Carbon Nanotube in Organic Solar Cells Abstract：Carbon nanotube(CNT)is an important nano2 material.Discusses the application of CNT in the photoactive layer and the trans parent electrode of organic solar cells.The relationship be ween its special structure, properties and the performance of organic photovoltaic devices is summarized.On the basis of this discussion, The improved methods of Carbon nanotube technology to develop and the research trends of CNT based organic solar cells are proposed.Key words：Carbon nanotube;solar cells;application

太陽能電池的核心部件是光電轉(zhuǎn)化器，如果某類太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化器由有機(jī)材料構(gòu)成，則此類太陽能電池通常被稱為有機(jī)太陽能電池。實(shí)驗(yàn)證明，有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率由有機(jī)半導(dǎo)體中激子的分離效率決定，因此，選擇合適的有機(jī)半導(dǎo)體材料將成為有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器制備的關(guān)鍵，進(jìn)而，尋找并運(yùn)用具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機(jī)材料必將成為有機(jī)太陽能電池研究的重點(diǎn)。

事實(shí)上，自從1991年日本電氣公司(NEC)首席研究員飯島(S.Iiji ma)博士首次發(fā)現(xiàn)碳納米管(Carbon nanotubes, CNTs)以來，這種具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)材料就和有機(jī)太陽能電池研究結(jié)下了不解之緣。它規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)和納米尺寸使人們相信它具有某些特殊的物化性質(zhì)，這些性質(zhì)使它有條件應(yīng)用于光電領(lǐng)域并成為成本低廉的大面積器件制作材料。研究表明，上述預(yù)測是有根據(jù)的，碳納米管目前已在有機(jī)太陽能電池的光活性層、透明電極等方面得到成功應(yīng)用，為承前啟后，本文集中相關(guān)成果對此進(jìn)行敘述。

碳納米管的結(jié)構(gòu)及其半導(dǎo)體性質(zhì)

碳納米管又稱巴基管，屬富勒碳系，是飯島博士利用碳電弧放電法合成“巴基球”(C60)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)的。它是由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫、中空的納米級(jí)管。每片納米管是1個(gè)碳原子通過SP2雜化與周圍3個(gè)碳原子完全鍵合而成，表現(xiàn)為六邊形平面組成的圓柱面。根據(jù)碳納米管中碳原子層數(shù)的不同，碳納米管大致可以分為單壁碳納米管(SWNTs)和多壁碳納米管(MWNTs)2類.SWNTs由單層碳原子繞合而成，結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性與單一性。宏觀形態(tài)的 SWNTs在通常情況下是成束出現(xiàn)的，而MWNTs則一般不成束，所以與MWNTs不同，S WNTs研究生課程考試答題紙

產(chǎn)生了3種不同層次的孔徑結(jié)構(gòu)：納米尺度的開口中空管腔(0.4～5nm)、碳納米管束中管間的狹長孔隙(約0.4 nm)和碳納米管束之間形成的堆積孔(約100nm)，而MWNTs一般只具有2種孔徑結(jié)構(gòu)，即納米級(jí)的中空管內(nèi)腔(3～4nm)和尺度較大的管間堆積孔(20～40 nm)。

碳納米管的結(jié)構(gòu)決定其具有非凡的半導(dǎo)體性質(zhì)。其中，高出任意一種高導(dǎo)電分子若干個(gè)數(shù)量級(jí)的導(dǎo)電率尤其值得稱道，這種導(dǎo)電率甚至可以和銅、硅相媲美.實(shí)驗(yàn)表明，2類碳納米管中，單壁碳納米管易于接受電子，其導(dǎo)電性介于半導(dǎo)體和金屬之間且隨管身的手性角度及直徑改變而改變，當(dāng)接受電子后，電子通常沿管軸以近乎理想的條件傳輸；多壁碳納米管則呈圓柱形多層石墨片層結(jié)構(gòu)，最外層的殼決定其表現(xiàn)為金屬或半導(dǎo)體特性，除具有電子受體的性質(zhì)外，它的高與長徑比也完美地契合了電荷沿著管軸的遷移；

實(shí)際應(yīng)用中，單壁碳納米管可用于電極制作或與共軛高分子摻雜形成本體異質(zhì)結(jié)以充當(dāng)器件活性層，多壁碳納米管則可用作半透明、柔性的空穴收集極。除導(dǎo)電率之外，碳納米管中還具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱性能和環(huán)境耐受力。所有這些非凡的半導(dǎo)體性質(zhì)使碳納米管作為碳材料中的優(yōu)秀代表被應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池制造中。

碳納米管在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用

2.1 碳納米管在有機(jī)太陽能電池活性層中的應(yīng)用

碳納米管在有機(jī)太陽能電池活性層中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在納米活性層和光活性層2個(gè)方面。其中，納米活性層的活動(dòng)形態(tài)對有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有重要影響。之前IMEC公布的P3HT:PCBM結(jié)構(gòu)太陽能電池的發(fā)電效率雖已接近5%，但對于目前的市場來說，其壽命還相對太短。實(shí)踐證明，基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的太陽能電池在長時(shí)間使用之后性能下降，究其原因，是由于有機(jī)混合物分離成不同狀態(tài)最終導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換率的下降。IMEC指出，這種狀態(tài)分離與有機(jī)聚合物的活動(dòng)性相關(guān)，一旦穩(wěn)定其活動(dòng)形態(tài)，則可延長電池的使用壽命。IMEC/I MOMEC實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用新共軛聚合物與碳納米管結(jié)合的有機(jī)太陽能電池在使用100h之后，效率保持不變，太陽能電池的使用壽命也大大提高，而其發(fā)電效率提升近4%。

同時(shí)，為了將共軛高分子的物化性質(zhì)與碳納米管的長程電荷傳輸特性結(jié)合起來，以獲得高效性優(yōu)的有機(jī)太陽能器件，人們將碳納米管分散到光活性層。雖然將碳納米管作為以ITO為基底的太陽能器件的電子受體材料已獲得了令人欣喜的性能，但將碳納米管分散到光活性基底卻并非易事。從有機(jī)太陽能電池電流產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，不難看出，控制電子受體碳納米管和電子給體共軛高分子均一的摻雜對總能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要，因此，以往的實(shí)驗(yàn)中研究人員總是先將碳納米管純化，然后與聚合物基底摻雜形成聚合物納米管器件，并期望聚合物納米管器件的能量轉(zhuǎn)換效率能得到顯著提高。Kymakis等人報(bào)道了基于單壁碳納米管與共軛高分子聚三辛基噻吩[poly(32octylthi ophene)](P3OT)混合物制作光電器件的成果。成果表明，將單壁碳納米管加入到P3OT基底中會(huì)使光電流增加2個(gè)數(shù)量級(jí)，Kymakis等人認(rèn)為聚合物2納米管結(jié)處電荷的

第1頁 研究生課程考試答題紙

分離和納米管孔道有效的電荷傳輸是使電流增加的主要原因。

然而，并非所有實(shí)驗(yàn)都如人所愿，當(dāng)Pradhan等人通過物理方法將功能化多壁碳納米管摻雜到聚三己基噻吩(P3HT)中，希望通過以提供附加的分離位來增加P3HT2MWNT/C60雙層器件的空穴傳輸能力時(shí)，在100mWcm-2的白光照射下，器件卻僅得到了相當(dāng)?shù)偷哪芰哭D(zhuǎn)換效率。究其原因，Pradhan等人認(rèn)為這可能是由于雙層結(jié)構(gòu)中供體給體界面激子分離困難和C60層低效率的電子傳輸造成的。后期跟蹤研究表明，聚合物納米管器件的狀態(tài)常常表現(xiàn)為亞穩(wěn)態(tài)，在100mWcm-2的白光照射下，Pradhan等人的器件僅得到了0.01%的能量轉(zhuǎn)換效率，光電效率也僅僅達(dá)到0.25mA /cm2～0.5 mA / cm2。為此，研究人員希望通過改良聚合物納米管器件來提高它的效率。因此，人們認(rèn)為電荷的復(fù)合是限制聚合物納米管器件效率的主要因素。與 PCBM比較，碳納米管僅是無序地分散在P3HT基底上，使復(fù)合幾率增加，激子分離不完全，特別在碳納米管為低濃度(單壁碳納米管1.0 wt%，多壁碳納米管5.0wt%)的條件下，激子的分離更不完全。起初，研究人員試圖通過在聚合物基質(zhì)中溶解更多的碳納米管來解決這一問題，但事與愿違，當(dāng)聚合物基質(zhì)中溶解更多的碳納米管后效率反而降低了，如果碳納米管的長度與光電層總的厚度相當(dāng)時(shí)，將單壁碳納米管以更高的百分比摻雜到聚合物基底中甚至可能會(huì)導(dǎo)致短路。幾經(jīng)嘗試，研究人員不得不通過提高碳納米管的純化程度并調(diào)配基底聚合物的摻雜比例的方法來解決問題，事實(shí)證明，這條途徑是有效的，近期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過提高純化程度和調(diào)配摻雜比例，碳納米管復(fù)合物在光照下的狀態(tài)可提高16%。

除分散到光活性基底外，碳納米管在聚合物基底中的均一分布也是亟待解決的問題。通常，解決這一問題采用的方法是LBL(layer2 by2layer)方法，主要包括LBL沉積、LBL電泳和LBL旋涂等。簡單的說，LBL就是在基底上逐層沉積，是一種技術(shù)難度為大眾所接受的方法。目前，LBL技術(shù)已經(jīng)從單壁碳納米管應(yīng)用拓展到雙壁碳納米管，多壁碳納米管和薄2多壁碳納米管，其中，薄2多壁碳納米管表現(xiàn)出最佳的太陽能性能，該電子受體層材料的最高IPCE值達(dá)1.9%。2.2碳納米管在有機(jī)太陽能電池透明電極中的應(yīng)用

透明電極是有機(jī)太陽能器件的必備部件，目前，制作電極的主要材料則是旋涂有40 nm厚 PEDOT: PSS層的ITO(氧化銦錫)，涂層PEDOT: PSS的作用是選擇性地將空穴注入電極并潤滑 ITO表面，以便降低針孔密度且抑制漏電流。雖然ITO制作透明電極的使用已經(jīng)普及，且優(yōu)化的ITO/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM /Al有機(jī)太陽能器件效率能達(dá)到10.6 mA / cm2，但在高沉積溫度(約600 ℃)條件下，ITO與柔性基底相容困難，且機(jī)械性能差，容易破碎，因此開發(fā)高質(zhì)量的ITO成為有機(jī)太陽能器件研究中迫切需要解決的問題。事實(shí)證明高質(zhì)量的ITO是可以開發(fā)的，但卻難以推廣，因?yàn)楦哔|(zhì)量的ITO成本昂貴且主要成分銦具有毒性，因此，開發(fā)ITO的替代品并使之商業(yè)化成為了另一出路，通過尋找，在導(dǎo)電、透光和柔性等方面都呈現(xiàn)良好的特性的碳納米管脫穎而出。

2.2.1柔性 單壁碳納米管膜與脆ITO相比，高度柔軟且不易發(fā)生蠕變，究其原因，聚乙烯基對苯二甲酸鹽上的單壁碳納米管膜在混合后不會(huì)裂縫，而ITO混合后則會(huì)變得生硬。因此，人們通常將碳納米管分散于供電子共軛高分子溶液(如P3HT,P3OT)中，并將混合溶液旋涂于透

第2頁 研究生課程考試答題紙

明電極表面以形成能代替氧化物薄膜和鉑薄膜的碳納米管薄膜(膜厚可達(dá)60～120nm)。在已有的多種碳納米管薄膜制作方法中(如濺射、旋涂、澆鑄、L2 B沉積等),將一種溶劑以膠膜的形式從濾膜傳到透明基底上是獲得柔性透明薄膜的最佳方法。這種可謂高效而實(shí)用，高效是指碳納米管在溶劑中溶解充分且分散均勻，實(shí)用則是指溶劑移除簡便，只需通過簡單潤洗即可。2.2.2導(dǎo)電性

碳納米管薄膜在導(dǎo)電性方面同樣表現(xiàn)優(yōu)異.研究證實(shí)，單壁碳納米管功函數(shù)的取值范圍是4.8～4.9eV,而ITO的取值范圍僅為4.6～4.7eV,換句話說，如果ITO的功函數(shù)都足以滿足有效空穴收集的話，那單壁碳納米管則更不在話下。

2.2.3透光性

雖然許多透明的導(dǎo)電材料在光譜中的可見光區(qū)是透明的，但僅有一部分材料在紅外光區(qū)仍保持好的透光性和導(dǎo)電性，而單壁碳納米管正是佼佼者之一。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單壁碳納米管的電阻值為100Ohm sq-1，高于典型的ITO片的電阻(10 Ohm sq-1)，且具有寬的光譜范圍，從紫外2可見延伸至遠(yuǎn)紅外區(qū)都具有很高的透光性，顯然，由單壁碳納米管組成的網(wǎng)絡(luò)將具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

除此之外，碳納米管還具有較高的熱傳導(dǎo)性，抗熱分解性和抗光照性(即使在空氣中)。所以，與目前的ITO器件相比，碳納米管薄膜作為透明電極的制作材料將更具競爭力。

碳納米管研制工藝的改進(jìn)

以上事實(shí)均可說明，碳納米管在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但如何提高碳納米管的研制工藝仍是一個(gè)值得深究的問題，對此，筆者認(rèn)為應(yīng)從分離、變短、純化幾個(gè)關(guān)鍵步驟著手考慮。(1)分離·分離的目的是將溶劑或混合物中的碳納米管束散開，并由此獲得更小的復(fù)合膜，從而盡量保證膜厚小于平均激子擴(kuò)散長度。分離過程需要重點(diǎn)考慮膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，優(yōu)化后的膜結(jié)構(gòu)將對激子和載流子損失的控制產(chǎn)生至關(guān)重要的作用，為此，筆者建議使用N2甲基222吡咯烷酮，此化合物的強(qiáng)離析性將膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化及膜形態(tài)保持起到積極作用。(2)變短·之所以要變短，是因?yàn)榕c長的碳納米管相比，短的碳納米管具有較小的范德華力，更易于開束和加工，變短的主要手段是對合成碳納米管常用的化學(xué)氣相淀積方法進(jìn)行改進(jìn)，而改進(jìn)是關(guān)鍵則是在化學(xué)氣相淀積過程中加入抗氫和抗硫化物質(zhì)，抗氫和抗硫化物質(zhì)可以阻止長碳納米管束的生成，并且改善碳納米管束的排列規(guī)則。(3)純化·純化是使碳納米管產(chǎn)生沉積，并為共沉積聚合物提供最佳的前線軌道能級(jí)補(bǔ)償，對電子傳輸效率而言，取向碳納米管優(yōu)于無序分散的碳納米管，垂直定向陣列則表現(xiàn)出更強(qiáng)的載流子傳輸性能[10]。對此，筆者認(rèn)為，采用強(qiáng)酸對定向碳納米管進(jìn)行氧化處理，改變納米粒子表面的性質(zhì)，使其表面具有有機(jī)活性，從而抑制納米粒子間的團(tuán)聚，這將大力改善碳納米管在聚合物中的分布。研究表明，采用超聲波分散，經(jīng)強(qiáng)酸氧化，碳納米管分散性較好；純化后的碳納米管表面引入了有機(jī)基團(tuán)；電鏡分析表明，碳納米管呈單管分散在基體中；溶液為堿性狀態(tài)下，碳納米管分散性最優(yōu)。

第3頁 研究生課程考試答題紙

小結(jié)

綜上所述，碳納米管在有機(jī)太陽能電池的光活性層及透明電極等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值，如果能深入研究碳納米管的結(jié)構(gòu)及其物化性質(zhì)，挖掘其特性對有機(jī)太陽能電池器件的影響，并在此基礎(chǔ)上改良碳納米管的研制工藝，則可使碳納米管成為有機(jī)太陽能電池器件制作的理想材料。可以預(yù)見，碳納米管必將在有機(jī)太陽能電池及相關(guān)光電領(lǐng)域產(chǎn)生重大作用。

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第四篇：氧化鋅納米材料制備及應(yīng)用研究

納米ZnO的合成及光催化的研究進(jìn)展

摘要：綜合敘述了以納米ZnO半導(dǎo)體光催化材料的研究現(xiàn)狀。主要包括納米光催化材料的制備、結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合納米ZnO的應(yīng)用和光催化的優(yōu)勢闡述了后續(xù)研究工作的主要的研究方向。

關(guān)鍵詞：納米；光催化；應(yīng)用

1.1 ZnO光催化材料的研究進(jìn)展

納米氧化鋅的制備技術(shù)國內(nèi)外有不少研究報(bào)道，國內(nèi)的研究源于20世紀(jì)90年代初，起步比較晚。目前，世界各國對納米氧化鋅的研究主要包括制備、微觀結(jié)構(gòu)、宏觀物性和應(yīng)用等四個(gè)方面，其中制備技術(shù)是關(guān)鍵，因?yàn)橹苽涔に囘^程的研究與控制對其微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能具有重要的影響[1]。綜合起來，納米氧化鋅的化學(xué)制備技術(shù)大體分為三大類：固相法、液相法和氣相法。1.1.1固相法

固相法又分為機(jī)械粉碎法和固相反應(yīng)法兩大類，前者較少采用，而后者固相反應(yīng)法，是將金屬鹽或金屬氧化鋅按一定比例充分混合，研磨后進(jìn)行燃燒，通過發(fā)生固相反應(yīng)直接制得超細(xì)粉或再次粉碎的超細(xì)粉。固相配位化學(xué)反應(yīng)法是近幾年剛發(fā)展起來的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它是在室溫或低溫下制備可在較低溫度分解的固相金屬配合物，然后將固相產(chǎn)物在一定溫度下熱分解，得到氧化物超細(xì)粉。運(yùn)用固相法制備納米氧化鋅具有操作和設(shè)備簡單安全，工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)，所以工業(yè)化生產(chǎn)前景比較樂觀，其不足之處是制備過程中容易引入雜質(zhì)，純度低，顆粒不均勻以及形狀難以控制。

王疆瑛等人[2]以酒石酸和乙二胺四乙酸為原料，采用固相化學(xué)反應(yīng)法在450℃熱分解4h得到具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO粉體，通過X射線衍射及透射電鏡結(jié)果分析，合成的產(chǎn)物粒徑均小于100nm，屬于納米顆粒范圍，而且顆粒大小均勻，粒徑分布較窄，并采用靜態(tài)配氣法對氣敏特性的研究發(fā)現(xiàn)，對乙醇?xì)怏w表現(xiàn)了良好的靈敏性和選擇性。1.1.2氣相法

氣相法是直接利用氣體或通過各種手段將物質(zhì)變?yōu)闅怏w并使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理或化學(xué)變化，最后在冷卻過程中凝聚長大形成超微粉的方法。氣相法包括濺射法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、化學(xué)氣相凝聚法、等離子體法、激光氣相合成法、噴霧熱分解法等。運(yùn)用氣相法能制備出純度高、分散性好的納米氧化鋅粉體，但是其工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，一般需要較高的溫度和能耗。

趙新宇等[3]利用噴霧熱解技術(shù)，以二水合醋酸鋅為前驅(qū)體通過研究各操作參數(shù)對粒子形態(tài)和組成的影響，在優(yōu)化的工藝條件下制得20-30nm粒度均勻的高純六方晶系ZnO粒子。研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物粒子分解程度隨反應(yīng)溫度的提高、溶液濃度和流量程度的降低而增大，隨壓力的升高先增大后略有減小，粒子形態(tài)與分解程度密切相關(guān)，只有當(dāng)分解程度高于90%以上，才能獲得形態(tài)規(guī)則、粒度均勻的產(chǎn)物粒子，并且由理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較推斷出噴霧熱解過程超細(xì)ZnO粒子的形成機(jī)理為一次粒子成核-分裂機(jī)理。

1.1.3液相法

液相法制備納米微粒是將均相溶液通過各種途徑使溶質(zhì)和溶劑分離，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒，得到所需粉末的前驅(qū)體，熱解后得到納米微粒。液相法是目前實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)廣泛采用的制備納米粉體的方法。與其他方法相比，該法具有設(shè)備簡單，原料容易獲得，純度高，均勻性好，化學(xué)組成控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，主要用于氧化物超微粉的制備。因此本課題也就是基于此來研究幾種液相法制備納米級(jí)氧化鋅粉體的機(jī)理及其工藝。液相法包括沉淀法、水解法、水熱法、微乳液法、溶膠-凝膠法等。

(1)沉淀法。

沉淀法是液相化學(xué)合成高純納米粒子采用的最廣泛的方法。它是把沉淀劑加入金屬鹽溶液中進(jìn)行沉淀處理，再將沉淀物加熱分解，得到所需的最終化合物產(chǎn)品的方法。沉淀法可分為直接沉淀法和均勻沉淀法。直接沉淀法優(yōu)點(diǎn)是容易制取高純度的氧化物超微粉，缺點(diǎn)是易于產(chǎn)生局部沉淀不均勻。為避免直接添加沉淀劑產(chǎn)生局部濃度不均勻，可在溶液中加入某種物質(zhì)使之通過溶液中的化學(xué)反應(yīng)，緩慢的生成沉淀劑，即均勻沉淀法，此法可獲得凝聚少、純度高的超細(xì)粉，其代表性的試劑是尿素。

祖庸等[4]以硝酸鋅為原料，尿素為沉淀劑，采用均勻沉淀法分別制得了粒徑為8-60nm的球形六方晶系ZnO粒子，粒度均勻、分散性好。并且為了考察小試數(shù)據(jù)的可靠性和進(jìn)一步給中試提供數(shù)據(jù)，進(jìn)行了28倍和168倍放大試驗(yàn)，產(chǎn)品收率達(dá)89%，為進(jìn)一步工業(yè)化打下良好的基礎(chǔ)。

(2)溶膠-凝膠法。

溶膠-凝膠法是將金屬醇鹽(如醋酸鋅等)溶解于有機(jī)溶劑(如乙醇)中，并使醇鹽水解，聚合形成溶膠，溶膠陳化轉(zhuǎn)變成凝膠，經(jīng)過高溫鍛燒制得ZnO納米粉體。也可在真空狀態(tài)下低溫干燥，得到疏松的干凝膠，再進(jìn)行高溫鍛燒處理。該法制備的氧化物粉末粒度小，且粒度分布窄，可以通過控制其水解產(chǎn)物的縮聚過程來控制聚合產(chǎn)物顆粒的大小。但由于金屬醇鹽原料有限，因此也出現(xiàn)了一些應(yīng)用無機(jī)鹽為原料制備溶膠的方法。

叢昱等[5]以草酸鋅為原料、檸檬酸為絡(luò)合劑，通過溶膠-凝膠法對Zn(OH)2凝膠在400℃下鍛燒2h獲得結(jié)晶型圓球狀六方晶型納米級(jí)ZnO超細(xì)粉，純度為99.25%(wt)，平均粒徑為30nm，粒徑分布范圍窄。曹建明[6]分別以草酸、檸檬酸和檸檬酸為絡(luò)合劑，利用溶膠-凝膠法制備了ZnO超細(xì)粉體。通過實(shí)驗(yàn)摸索出制備小粒徑ZnO的最佳工藝條件為：草酸濃度0.3mol/L，乙酸鋅濃度0.2mol/L，它們之間的摩爾比為3:1，經(jīng)分析此時(shí)所得ZnO微粉為六方晶型，平均晶粒尺寸在 15.3nm左右，從激光散射測試結(jié)果得知，ZnO納米顆粒在水溶液中存在著軟團(tuán)聚，團(tuán)聚體最小尺寸為79.4nm，并且對丁烷氣體表現(xiàn)出良好的敏感性，可用于制備丁烷傳感器。

(3)微乳液法。

微乳液法是兩種互不相容的溶劑，在表面活性劑作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、凝結(jié)、團(tuán)聚、熱處理后得到納米微粒。與其他化學(xué)法相比，微乳液法具有微粒不易聚結(jié)，大小可控且分散性好等優(yōu)點(diǎn)。

崔若梅等[7]以無水乙醇作輔助表面活性劑，Zn(CH3COO)2·2H2O為原料，添加到十二烷基苯磺酸鈉、甲苯、水和吐溫80、環(huán)己烷、水自發(fā)生成的兩種不同的微乳液體系中制備出平均粒徑位25nm和30nm的超細(xì)ZnO粒子，粒度分布均勻，樣品純度也較高。馮悅兵等[8]也采用不同的微乳體系合成了粒徑在10-30nm之間的超細(xì)ZnO球形粒子,粒度均勻，分散性好，與普通氧化鋅相比，粒徑減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并具有特殊的光學(xué)性能，即在可見光區(qū)有良好的透光率，在紫外區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)的寬帶吸收，特別是長波紫外線有很強(qiáng)的吸收能力。楊華等[9]采用雙微乳液混合法制備了納米ZnO粉體，經(jīng)研究分析，所得產(chǎn)物為球形六方晶系結(jié)構(gòu)，平均粒徑27nm，粒徑尺寸分布范圍較窄，99%的顆粒在納米級(jí)范圍。另外，還有人用超聲輻射沉淀法、水解加熱法、超臨界流體干燥法等液相法也制得了納米氧化鋅粉體。

隨著納米材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新的制備合成工藝被不斷的提出并得到利用。國外對納米氧化鋅的研究相對已比較成熟，許多廠家已將先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，制造出高品質(zhì)的納米氧化鋅產(chǎn)品。目前，山西豐海納米科技有限公司作為全國最大的納米氧化鋅專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，現(xiàn)生產(chǎn)能力己達(dá)5000 t/a，二期工程正在擴(kuò)建階段，完成后生產(chǎn)能力將達(dá)到30000 t/a。成都匯豐化工廠開發(fā)出純度大于99.7%、平均粒徑為20nm的高純度納米級(jí)氧化鋅，并建成500 t/a的生產(chǎn)線。該廠生產(chǎn)的高純納米級(jí)氧化鋅成本僅有進(jìn)口的1/10，可廣泛用于防曬化妝品、抗菌自潔衛(wèi)生潔具、壓敏及其它功能陶瓷、冰箱空調(diào)微波爐用抗菌劑、高級(jí)船舶用涂料、高級(jí)汽車面漆、氣體傳感器、光催化劑以及航天航空領(lǐng)域 [10]。

1.2 ZnO的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

ZnO 晶體具有四種結(jié)構(gòu)：纖鋅礦相（四配位，六角結(jié)構(gòu)，B4）、閃鋅礦相（也是四配位，但和 B4 相原子排列不同）、NaCl 結(jié)構(gòu)（也叫巖鹽結(jié)構(gòu)，B1）和 CsCl 結(jié)構(gòu)（B2）。通常情況下，ZnO 以纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在，當(dāng)外界壓強(qiáng)增大，大約是 9.6GPa 時(shí)向巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，當(dāng)外界壓強(qiáng)增大到 200 GPa 時(shí)，向 B2 相轉(zhuǎn)變，而閃鋅礦是在生長時(shí)形成的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。ZnO 的纖鋅礦結(jié)構(gòu)如圖1.1 所示，有三個(gè)結(jié)晶面：(0001)、(10-10)和(11-20)，其相應(yīng)表面能量密度分別為 0.99、0.123 和 0.209 eV/A2,(0001)面的表面自由能最小[11]。

ZnO 屬于寬帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下其禁帶寬度為 3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60meV，ZnO 具有較高的熱穩(wěn)性，無毒、無臭，是一種兩性氧化物，能溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿溶液，不溶于水和乙醇。納米級(jí)的 ZnO 是一種人造粉體材料，由于其表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，使其在磁性、光吸收與催化等方面具有奇異的性質(zhì)。

各種形貌的 ZnO 材料可以采用不同的合成方法制得，例如棱鏡型、橢圓型、籠型、球型、管、空心管、針狀、筆狀、花狀、啞鈴型、納米絲、納米竿和納米束等[12]。在這些納米構(gòu)型中，一維（1D）ZnO 如納米絲和納米桿備受關(guān)注，尤其是溶液合成法制得的產(chǎn)品，因?yàn)榇朔椒梢栽诘蜏叵逻M(jìn)行，且簡單又經(jīng)濟(jì)實(shí)用。一方面因?yàn)橐痪S納米結(jié)構(gòu)具有特殊的電子轉(zhuǎn)移特性，常用于電子器件；另一方面由于 ZnO 獨(dú)特的六方型晶體特征使其易于生成一維結(jié)構(gòu)。由溶液合成法得到的延長 ZnO 材料同時(shí)具有極性和非極性，通常情況下，ZnO 核原子容易沿極性方面聚集而成一維結(jié)構(gòu)（軸向生長），但是，如果加入成核改良物質(zhì)使極性純化，軸向生長受到抑制而易得到扁平結(jié)構(gòu)如薄片或平板狀 ZnO（橫向生長），因此選擇合適的改良劑，可以選擇性的得到不同結(jié)構(gòu)型貌的 ZnO晶體，以便開發(fā)新的用途[13]。

圖.1.1 ZnO 的晶體結(jié)構(gòu)-具有三個(gè)取向面(0001)、(10-10)和(11-20)的纖維礦結(jié)構(gòu)

晶格常數(shù)為a=3.25A , c=5.2A, Z=2.最近，二維（2D）多孔 ZnO 納米薄片因其同時(shí)具有薄層形貌和多孔結(jié)構(gòu)，可以顯著地提高其在光致發(fā)光和氣敏元件應(yīng)用方面的性質(zhì)而備受矚目，相對于低維（1D 和 2D）結(jié)構(gòu)，三維（3D）結(jié)構(gòu)更易具有特殊的性質(zhì)，是目前研究的熱點(diǎn)[14]。

1.3納米ZnO粉體的應(yīng)用

納米氧化鋅是由極細(xì)晶粒組成、特征維度尺寸為納米數(shù)量級(jí)(1-100nm)的無機(jī)粉體材料，與一般尺寸的氧化鋅相比，納米尺寸的氧化鋅具有小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，因而它具有許多獨(dú)特的或更優(yōu)越的性能，如無毒性、非遷移性、熒光性、壓電性、吸收散射紫外能力等[15]。這些特性的存在進(jìn)一步推廣了氧化鋅的應(yīng)用，例如用作氣體傳感器、變阻器、紫外屏蔽材料、高效光催化劑等。1.3.1氣敏材料[16]

環(huán)境污染目前是在全球范圍內(nèi)廣受關(guān)注的問題。由于可揮發(fā)有機(jī)物(VOCs)廣泛應(yīng)用于染料、藥物、塑料、橡膠、室內(nèi)裝修等行業(yè)，與人們的日常工作和生活有著密切的關(guān)系。人吸入過量的VOCs，會(huì)導(dǎo)致或加重過敏、哮喘、癌癥、肺氣腫等癥狀的發(fā)生。特別是近年來，由于室內(nèi)裝修空氣質(zhì)量不合格而導(dǎo)致住戶死亡的報(bào)道屢見不鮮，人們對VOCs的檢測提出了新的更高的要求。納米材料的發(fā)展和應(yīng)用已成為氣敏材料的研究熱點(diǎn)，這是因?yàn)榧{米材料具有特殊的結(jié)構(gòu)和效應(yīng)，使其顯示出良好的氣敏特性。ZnO是最早使用的氣敏材料，與廣泛使用的SnO2相比，工作原理相同，檢測靈敏度較SnO2低，除此之外，其它性能并不遜色，而且還具有價(jià)格便宜，適宜制備等優(yōu)點(diǎn)。所以目前國內(nèi)外在這方面的研究很多。ZnO氣敏元件主要有燒結(jié)型、厚膜型、薄膜型三種。雖然目前薄膜型ZnO的研究非常活躍，但燒結(jié)型和厚膜型元件具有制作簡單、價(jià)格便宜和檢測方便等優(yōu)點(diǎn)，易于使用化，有很好的應(yīng)用前景，而這類元件都是以顆粒狀ZnO為基礎(chǔ)的，所以制備出納米級(jí)ZnO顆粒是制備氣敏元件的第一步。

新疆大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究所沈茹娟等人以酒石酸和乙二胺甲基酸為原料，通過固相反應(yīng)法制備的氣敏材料氧化鋅，測試了材料在不同工作溫度下對乙醇、氨氣、液化石油氣的靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所合成的納米氧化鋅具有工作溫度低、對乙醇?xì)怏w靈敏度高的特點(diǎn)。1.3.2光催化污水處理材料[17]

隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，一些化工廠、印染廠、造紙廠、洗滌劑廠、食品廠等工廠的有機(jī)物廢水排放越來越受到環(huán)境保護(hù)法規(guī)的制約，而目前常用的有機(jī)物廢水處理技術(shù)難以達(dá)到有效的治理。物理吸附法、混凝法等非破壞性的處理技術(shù)，只能將有機(jī)物從液相轉(zhuǎn)移到固相，不能解決二次污染問題。而化學(xué)、生化等處理技術(shù)除凈度低，廢水中有機(jī)物含量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體多相光催化是近20年發(fā)展起來的新興領(lǐng)域，許多有機(jī)化合物如烴、鹵代烴、有機(jī)酸類、多環(huán)芳烴、取代苯胺、雜環(huán)化合物、表面活性劑、酚類、農(nóng)藥、細(xì)菌等都能有效地進(jìn)行光催化降解反應(yīng)生成無機(jī)小分子。因反應(yīng)體系在催化劑作用下將吸收的光能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使許多難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)在溫和的條件下順利進(jìn)行，能量消耗低，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，對解決日益嚴(yán)重的農(nóng)藥廢水污染問題極具有實(shí)用和推廣價(jià)值。目前，人們對納米TiO2催化劑進(jìn)行廣泛的研究，主要集中在水中污染物的光催化降解中，如降解苯酚、有機(jī)磷農(nóng)藥、染料等。由于納米TiO2成本比較高、設(shè)備投資大等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到限制，而納米ZnO作為一種新型的功能材料，由于成本低廉，在光催化領(lǐng)域?qū)⒕哂泻芎玫膽?yīng)用前景。

納米ZnO是一種很好的光催化劑，在紫外光的照射下，能分解有機(jī)物質(zhì)，能抗菌和除臭。水中的有害有機(jī)物質(zhì)如有機(jī)氯化物、農(nóng)藥、界面活性劑、色素等，用目前的水處理技術(shù)充分去除是困難的。近年來廣泛進(jìn)行了把這些物質(zhì)用光催化劑分解處理的嘗試，已經(jīng)召開了幾屆有關(guān)這方面的國際會(huì)議。其中重要的光催化劑包括氧化鈦和氧化鋅等。氧化鋅作為光催化劑可以使有機(jī)物分解，研究表明，納米氧化鋅粒子的反應(yīng)速度是普通氧化鋅粒子100-1000倍，而且與普通粒子相比，它幾乎不引起光的散射，且具有大的比表面積和寬的能帶，因此被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的高活性光催化劑之一。1.3.3抗菌自潔陶瓷材料[18]

隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，健康的生存環(huán)境日益成為人類的追求目標(biāo)，環(huán)境保護(hù)問題已不可避免的越來越受到重視。抗菌(殺菌)陶瓷是一種保護(hù)環(huán)境的新型功能材料，是抗菌劑、抗菌技術(shù)與陶瓷材料結(jié)合的產(chǎn)物，也是材料科學(xué)與微生物學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是利用高科技抑制和殺滅細(xì)菌，使傳統(tǒng)的產(chǎn)品增加科技含量的典型例證。它在保持陶瓷制品原有使用功能和裝飾效果的同時(shí)，增加消毒、殺菌及化學(xué)降解的功能，即它具有抗菌、除臭、保健等功能，從而能夠廣泛用于衛(wèi)生、醫(yī)療、家庭居室、民用或工業(yè)建筑，有著廣闊的市場前景，已成為高技術(shù)產(chǎn)品研究的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)今用于陶瓷制品的抗菌材料主要是無機(jī)抗菌材料，按照抗菌材料的不同，抗菌陶瓷主要分為載銀抗菌陶瓷和光觸媒抗菌陶瓷，納米光催化抗菌陶瓷具有抗菌持久、殺菌徹底、無毒健康、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)銀系抗菌陶瓷的換代產(chǎn)品。

納米光催化抗菌陶瓷制品在色釉、形貌及力學(xué)性質(zhì)上與傳統(tǒng)的衛(wèi)生陶瓷和建筑陶瓷相同，只需在未燒成的衛(wèi)生陶瓷釉面上噴涂一定厚度的涂層并與衛(wèi)生陶瓷上的釉形成混合層，干燥，高溫?zé)Y(jié)而成。納米ZnO抗菌陶瓷就是將一定量的ZnO、Ca(OH)

2、AgNO3等制成涂層，由以下三種方法制成：(1)將含納米ZnO釉涂在陶瓷坯釉面上而后燒成；(2)將含納米氧化鋅抗菌釉與傳統(tǒng)釉料混勻后涂在陶瓷坯上燒成；(3)將氧化鋅抗菌陶瓷釉直接涂在陶瓷坯面上燒成。但是目前光觸媒應(yīng)用于抗菌陶瓷最多的還是TiO2，關(guān)于納米ZnO抗菌陶瓷的報(bào)道還很少。1.3.4半導(dǎo)體材料

作為重要氧化物半導(dǎo)體，納米ZnO由于良好的光電性能早就引起人們的重視。研究表明，納米ZnO存在很強(qiáng)的紫外及藍(lán)光發(fā)射，可用于新型發(fā)光器件。

目前，人們已研制出ZnO納米線、納米管、納米帶，這些納米材料表現(xiàn)出許多特異的性質(zhì)。美國亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院王中林等在世界上首次獲得了具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體納米帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而又研制出了具有壓電效應(yīng)的納米環(huán)。這種新型結(jié)構(gòu)可用于微、納米機(jī)電系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)納米尺度上機(jī)電藕合的關(guān)鍵材料，在微/納米機(jī)電系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用價(jià)值，利用這種納米帶(環(huán))的壓電效應(yīng)，可以設(shè)計(jì)研制各種納米傳感器、執(zhí)行器、以及共振藕合器、甚至納米壓電馬達(dá)。利用其優(yōu)秀的光電性能，納米ZnO半導(dǎo)體在納米光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如納米尺度的激光二極管、紫外激光探測器等。利用ZnO的紫外發(fā)光特性，可以做成超小型的激光光源。楊培東[19]等在只有人類頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器—納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)光到深紫外的光。室溫下，納米導(dǎo)線中的純氧化鋅晶體被另一種激光激活時(shí)，純氧化鋅晶體可以發(fā)射出波長只有17nm的激光。這種氧化鋅納米激光器是當(dāng)今世界上最小的激光器，而且是從納米技術(shù)誕生以來的第一項(xiàng)實(shí)際的應(yīng)用，最終可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)、提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。1.3.5磁性材料[20]

磁性材料是電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，工業(yè)上廣泛使用的錳鋅鐵氧體(Mn1-xZnx)Fe2O4，其化學(xué)成分的比例為Fe2O3:MnO:ZnO=(52.6:35.4:12.0)mol=(70.65:1.13:8.22)wt%，這是一種軟磁性材料，具有很好的磁性能(如導(dǎo)磁率可達(dá)4000等)，該磁性材料的制造工藝極為復(fù)雜，需在1300℃下進(jìn)行燒結(jié)。如果采用納米ZnO作原料，不僅可以簡化制造工藝(如不需球磨加工就能達(dá)到粒度要求直接配料等)，而且還可以提高產(chǎn)品的均一性和導(dǎo)磁率，減少產(chǎn)品在燒制過程中破裂的損失，降低燒結(jié)溫度，使產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。1.3.6橡膠及涂料材料

在橡膠工業(yè)，納米氧化鋅是一種重要的無機(jī)活性材料，其不僅可降低普通氧化鋅的用量，還可以提高橡膠產(chǎn)品的耐磨性和抗老化能力，延長使用壽命，加快硫化速度，使反應(yīng)溫度變寬。在不改變原有工藝的條件下，橡膠制品的外觀平整度、光潔度、機(jī)械強(qiáng)度、耐磨度、耐溫性、耐老化程度等性能指標(biāo)均得到顯著提高。

納米氧化鋅能大大提高涂料產(chǎn)品的遮蓋力和著色力，還可以提高涂料的其它各項(xiàng)指標(biāo)，并可應(yīng)用于制備功能性納米涂料。在涂料應(yīng)用中，納米氧化鋅的紫外屏蔽性能是其中最大的開發(fā)點(diǎn)之一。以往常用的抗紫外劑多為有機(jī)化合物，如二甲苯酮類、水楊酸類等，其缺點(diǎn)是屏蔽紫外線的波段較短，有效作用時(shí)間不長，易對人體產(chǎn)生化學(xué)性過敏，存在有不同程度的毒性。金屬氧化物粉末對光線的遮蔽能力，在其粒徑為光波長的1/2時(shí)最大。在整個(gè)紫外光區(qū)(200-400nm)，氧化鋅對光的吸收能力比氧化鈦強(qiáng)。納米氧化鋅的有效作用時(shí)間長，對紫外屏蔽的波段長，對長波紫外線(UVA，波長320-400nm)和中波紫外線(UVA，波長280-320nm)均有屏蔽作用，能透過可見光，有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。同時(shí)由于納米氧化鋅的導(dǎo)電性也使涂層具有抗靜電能力，提高了涂層的自潔功能。因此，充分利用納米氧化鋅的這些特性可以制備各種納米功能涂料。例如：將一定量的超細(xì)ZnO·Ca(OH)2·AgNO3等加入25%(wt)的磷酸鹽溶液中，經(jīng)混合、干燥、粉碎等再制成涂層涂于電話機(jī)、微機(jī)等表面，有很好的抗菌性能。添加納米ZnO紫外線屏蔽涂層的玻璃可抗紫外線、耐磨、抗菌和除臭，用作汽車玻璃和建筑玻璃。在石膏中摻入納米ZnO及金屬過氧化物粒子后，可制得色彩鮮艷、不易褪色的石膏產(chǎn)品，具有優(yōu)異的抗菌性能，可用于建筑裝飾材料。艦船長期航行、停泊在海洋環(huán)境中，用納米氧化鋅作為原料，制備艦船專用的涂料，不僅可起到屏蔽紫外線的作用，還可以殺滅各種微生物，從而提高航行速度并延長檢修期限。1.3.7日用化工[21]

納米氧化鋅無毒、無味、對皮膚無刺激性、不分解、不變質(zhì)、熱穩(wěn)定性好，本身為白色，可以簡單的加以著色，價(jià)格便宜。而且氧化鋅是皮膚的外用藥物，對皮膚有收斂、消炎、防腐、防皺和保護(hù)等功能。可用于化妝品的防曬劑，以防止紫外線的傷害。納米ZnO還可以用于生產(chǎn)防臭、抗菌、抗紫外線的纖維。例如，日本帝人公司生產(chǎn)的采用納米ZnO和SiO2混合消臭劑的除臭纖維，能吸收臭味凈化空氣，可用于制造長期臥床病人和醫(yī)院的消臭敷料、繃帶、尿布、睡衣、窗簾及廁所用紡織品等。日本倉螺公司將ZnO微粉摻入異形截面的聚醋纖維或長絲中，開發(fā)出世界著名的防紫外線纖維，除具有屏蔽紫外線的功能外，還有抗菌、消毒、除臭的奇異功能，除用于制造手術(shù)服、護(hù)士服外，還可制造內(nèi)衣、外裝、鞋、帽、襪、浴巾、帳篷、日光傘、夏日服裝、農(nóng)用工作服、運(yùn)動(dòng)服等。1.3.8其它領(lǐng)域應(yīng)用[22]

隨著人們對納米氧化鋅性能認(rèn)識(shí)的深化，納米氧化鋅的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。例如利用活性炭、多孔陶瓷、金屬網(wǎng)等材料做載體，負(fù)載納米ZnO光催化劑，制成空氣凈化材料，可以作為空氣凈化器的核心部件。近年來開發(fā)的片式疊層納米氧化鋅壓敏電阻器具有響應(yīng)時(shí)間短、電壓限制特性好、受溫度影響小、通流能力大等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在IC(集成電路)保護(hù)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體、場效應(yīng)管器件保護(hù)及汽車線路保護(hù)等方面。此外，納米氧化鋅在電容器、熒光材料、表面波材料、圖像記錄材料、抗靜電復(fù)合材料等方面也表現(xiàn)出極其廣闊的應(yīng)用前景。

1.4.準(zhǔn)備開展工作

我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與制造業(yè)、重工業(yè)的興旺是分布開的。然而，這些工廠的發(fā)展的同時(shí)，也帶來了很嚴(yán)重的環(huán)境問題——廢水、廢氣、廢渣，這些影響著人們的健康。焦化、農(nóng)藥、醫(yī)藥、化工、染料、樹脂等行業(yè)，范圍廣，數(shù)量多，是環(huán)境污染物主要制造者。由于有機(jī)類物質(zhì)具有致癌、致畸形、致突變的潛在毒性，已被各國環(huán)保部門列入環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單，也是重點(diǎn)監(jiān)測和治理的對象之一。因此，廢水的處理一直是環(huán)境保護(hù)研究中倍受關(guān)注的課題。

目前國內(nèi)外處理廢水的常用方法主要有吸附法、化學(xué)氧化法、溶劑萃取法、液膜法、離子交換法和生化法等，各種方法都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)。光催化氧化法屬于化學(xué)氧化法的一種類型，是近年來發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，由于其具有高效、價(jià)廉、對環(huán)境友好、容易循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)以亞甲基藍(lán)為例，研究水中有機(jī)物的光催化降解，其中催化的原材料就是氧化鋅和二氧化鈦。這兩種原料都簡單易得、價(jià)格便宜、無毒無害，且其納米顆粒具有良好的光催化性能，所以研究出高催化性能的光催化材料對于水的凈化處理有著不言而喻的意義。在這種指導(dǎo)思想下，在后續(xù)研究工作中主要采用溶劑熱法，以醋酸鋅為原料，制備納米級(jí)氧化鋅粉體，并確定最佳的原料配比和工藝條件，同時(shí)利用X-射線衍射，透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡等方法對制備的ZnO的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。希望可以制備出的形狀和尺寸控制的氧化鋅微粒。

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第五篇：納米薄膜小論文

納米技術(shù)在薄膜中的應(yīng)用與發(fā)展

摘要:近年來納米技術(shù)的發(fā)展研究是一個(gè)熱烈的話題，受到了廣泛的關(guān)注。而納米薄膜材料是一種新型材料，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，時(shí)期作為功能材料和結(jié)構(gòu)材料都具有良好的發(fā)展前景。本文簡單介紹了納米薄膜材料的性能、制備方法，應(yīng)用領(lǐng)域等幾個(gè)方面，為初步認(rèn)識(shí)和了解納米薄膜材料有推動(dòng)作用。

關(guān)鍵字：納米技術(shù),薄膜,材料

納米技術(shù)在今天已經(jīng)不是個(gè)陌生的話題，所謂納米技術(shù)，是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)技術(shù)。這是21世紀(jì)最有競爭力的技術(shù)之一。科學(xué)家們在研究微觀粒子結(jié)構(gòu)與性能過程中，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下的原子或分子，可以表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能的設(shè)備與儀器，能夠在改善人們的日常生活中起到相當(dāng)顯著的作用。納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。而我所研究的是納米技術(shù)在薄膜中的部分應(yīng)用與其今后發(fā)展。新型薄膜材料對當(dāng)代高新技術(shù)起著重要的作用，是國際上科學(xué)技術(shù)研究的熱門學(xué)科之一。

1.納米薄膜材料概述

納米薄膜是一類具有廣泛應(yīng)用前景的新材料, 按用途可以分為兩大類,即納米功能薄膜和納米結(jié)構(gòu)薄膜。前者主要是利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特性,通過復(fù)合使新材料具有基體所不具備的特殊功能。后者主要是通過納米粒子復(fù)合, 提高材料在機(jī)械方面的性能。由于納米粒子的組成、性能、工藝條件等參量的變化都對薄膜的特性有顯著影響, 因此可以在較多自由度的情況人為地 控制納米復(fù)合薄膜的特性, 獲得滿足需要的材料。納米多層膜指由一種或幾種金屬或合金交替沉積而形成的組分或結(jié)構(gòu)交替變化的合金薄膜材料, 且各層金屬或合金厚度均為納米級(jí), 它也屬于納米薄膜材料。多層膜的主要參數(shù)為調(diào)制波長,指的是多層膜中相鄰兩層金屬或合金的厚度之和。當(dāng)調(diào)制波長比各層薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更大時(shí),可稱這種多層膜結(jié)構(gòu)為超晶格薄膜。組成復(fù)合薄膜的納米粒子可以是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、有機(jī)高分子等材料，而復(fù)合薄膜的基體材料可以是不同于納米粒子的任何材料。人們采用各種物理和化學(xué)方法先后制備了一系列金屬/絕緣體、半導(dǎo)體/絕緣體、金屬/半導(dǎo)體、金屬/高分子、半導(dǎo)體/高分子等納米復(fù)合薄膜。特別是硅系納米復(fù)合薄膜材料得到了深入的研究，人們利用熱蒸發(fā)、濺射、等離子體氣相沉積等各種方法制備了Si/SiOx、Si/a-Si：H、Si/SiNx、Si/SiC等納米鑲嵌復(fù)合薄膜。盡管目前對其機(jī)制不十分清楚，卻有大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)在此類納米復(fù)合薄膜中觀察到了強(qiáng)的從紅外到紫外的可見光發(fā)射。由于這一類薄膜穩(wěn)定性大大高于多孔硅，工藝上又可與集成電路兼容，因而被期待作為新型的光電材料應(yīng)用于大規(guī)模光電集成電路。

由于納米薄膜的納米相粒子的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效 應(yīng)等使得它們的光學(xué)性能、電學(xué)性能、力學(xué)性能、催化性能、生物性能等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性。因此，納米薄膜在光電技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)以納米薄膜材料在潤滑方面的作用為例介紹它們的特性及其應(yīng)用。

2.納米薄膜的制備方法

納米薄膜的制備方法按原理可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。粒子束濺射沉積和磁空濺射沉積,以及新近出現(xiàn)的低能團(tuán)簇束沉積法都屬于物理方法；化學(xué)氣相沉積（VCD）、溶膠-凝膠（Sol-Gel）法和電沉積法屬于化學(xué)方法。2.1離子束濺射沉積

使用這種方法制備納米薄膜是在多功能離子束輔助沉積裝置上完成。該裝置的本底真空度為 0.2MPa, 工作氣壓為 7MPa。沉積陶瓷材料可以通過使用3.2KeV/100mA 的 Ar+ 離子束濺射相應(yīng)的靶材沉積得到, 而沉積聚四氟乙烯材料需要使用較小的束流和束壓(15KeV/30mA)。沉積陶瓷材料時(shí)的速率為6nm/min, 沉積金屬和聚四氟乙烯材料時(shí)的速率為 12nm/min。2.2磁控濺射沉積

磁控濺射沉積法制備薄膜材料是在磁控濺射儀上實(shí)現(xiàn)的, 其真空室中有三個(gè)陰極靶(一個(gè)直流陰極, 兩個(gè)射頻陰極), 三個(gè)陰極可分別控制。首先將濺射材料安裝在射頻陰極上, 通過基片架轉(zhuǎn)動(dòng), 基片輪流在兩個(gè)射頻靶前接受濺射原子, 控制基片在各靶前的時(shí)間, 即可控制多層膜的調(diào)制波長。同時(shí)在真空室內(nèi)通入一定壓力的氣體, 可以作為保護(hù)氣氛, 或與濺射金屬原子反應(yīng)生成新的化合物, 沉積到基片上。此外在基片高速旋轉(zhuǎn)的條件下, 還可制備近似均勻的復(fù)合薄膜。磁控濺射法具有鍍膜速率易于控制, 穩(wěn)定性好, 濺射材料不受限制等優(yōu)點(diǎn)。2.3低能團(tuán)簇束沉積法

低能團(tuán)簇束沉積方法是新近出現(xiàn)的一種納米薄膜制備技術(shù)。該技術(shù)首先將所沉積材料激發(fā)成原子狀態(tài), 以 Ar、He 作為載氣使之形成團(tuán)簇, 同時(shí)采用電子束使團(tuán)簇離化, 利用質(zhì)譜儀進(jìn)行分離, 從而控制一定質(zhì)量、一定能量的團(tuán)簇沉積而形成薄膜。在這種條件下沉積的團(tuán)簇在撞擊表面時(shí)并不破碎, 而是近乎隨機(jī)分布；當(dāng)團(tuán)簇的平均尺寸足夠大, 則其擴(kuò)展能力受到限制, 沉積薄膜的納米結(jié)構(gòu)對團(tuán)簇尺寸具有很好的記憶特性。2.4電沉積法

電沉積法可以制得用噴射法不能制得的復(fù)雜形狀,并且由于沉積溫度較低, 可以使組分之間的擴(kuò)散程度降到最低。匈牙利的Eniko TothKadar 利用交流脈沖電源在陰極鍍制納米晶 Ni膜, 試樣制備與普通電鍍相同, 電鍍時(shí)電流保持不變, idep = 20Adm-2, 脈沖電流通電時(shí)間 ton ,斷電時(shí)間 toff在 0.001,0.01,0.1, 1, 10s 之間變化。

此外用電沉積法在 AISI52100 鋼基體上制得銅-鎳多層膜, 試樣預(yù)先淬硬到 HRC62 左右, 然后拋光清洗,進(jìn)行電沉積, 鍍銅時(shí)電壓 u = 1600mV, i = 0.881mA cm-2 , 鍍鎳時(shí)電壓 u = 600mA, i = 22.02mA cm-2。2.5膠體化學(xué)法

采用溶膠-凝膠法制備納米薄膜,首先用化學(xué)試劑制備所需的均勻穩(wěn)定水溶膠, 然后將溶膠滴到清潔的基體上,在勻膠機(jī)上勻膠, 或?qū)⑷苣z表面的陳化膜轉(zhuǎn)移到基體上, 再將薄膜放入烘箱內(nèi)烘烤或在自然條件下干燥, 制得所需得薄膜。根據(jù)制備要求的不同, 配制不同的溶膠, 即可制得滿足要求的薄膜。用溶膠-凝膠法制備了納米微孔 SiO2薄膜和 SnO2納米粒子膜。

此外,還有用這種方法制備 TiO2/SnO2 超顆粒及其復(fù)合 LB(Langmuir-Blodgett)膜、SiC/AIN 膜、ZnS/Si 膜、CuO/SiO2 膜的報(bào)道。2.6化學(xué)氣相沉積法

在電容式耦合等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)系統(tǒng)上, 用高氫稀釋硅烷和氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣氛制備納米硅氮(Nc-SiNx:H)薄膜。其試驗(yàn)條件為: 電極間距 3.2cm,電極半徑 5cm。典型的沉積條件為: 襯底溫度 320℃, 反應(yīng)室壓力為 100Pa, 射頻功率為70W SiH4/H2的氣體流量比為 0.03, N2/SiH4的氣體流量比為 1~10。

此外,還有用化學(xué)沉積法制備 Fe-P 膜, 射頻濺射法制備 a-Fe/Nd2Fe4B 多層膜, 熱化學(xué)氣相法制備 SiC/Si3N4膜的報(bào)道。

3.納米薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1納米光學(xué)薄膜

利用納米薄膜吸收光譜的藍(lán)移與紅移特性，人們已制造出了各種各樣的紫外吸收薄膜和紅外反射薄膜，并在日常生產(chǎn)、生活中取得應(yīng)用。如在平板玻璃的兩面鍍制的Ti02納米薄膜，在紫外線作用下，該薄膜可分解沉積在玻璃上的有機(jī)污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的有害細(xì)菌和病毒；在眼鏡上鍍制的TiO2 納米粒子樹脂膜或Fe2O3納米微粒聚醇酸樹脂膜，可吸收陽光輻射中的紫外線，保護(hù)人的視力；在燈泡罩內(nèi)壁涂敷的納米SiO2和納米TiO2 微粒多層干涉膜，燈泡不僅透光率好，而且具有很強(qiáng)的紅外線反射能力，可大大節(jié)約電能等。此外，利用Si納米晶粒薄膜的紫外線光致發(fā)光特性，還可獲得光致變色效應(yīng)，從而產(chǎn)生新的防偽、識(shí)別手段。3.2納米耐磨損膜與納米潤滑膜 在一些硬度高的耐磨涂層/薄膜中添入納米相，可進(jìn)一步提高涂層/薄膜的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性。此外，一些表面涂層/薄膜中加入一些納米顆粒，如C60 富勒烯、巴基管等還可達(dá)到減小摩擦系數(shù)的效果，形成自潤滑材料，甚至獲得超潤滑功能。事實(shí)上，在Ni等基體表面上沉積納米Ni-La2O3 曲，薄膜后，除了可以增加基體的硬度和耐磨性外，材料的耐高溫、抗氧化性也顯著提高。3.3納米磁性薄膜

經(jīng)過納米復(fù)合的涂層/薄膜具有優(yōu)異的電磁性能。利用納米粒子涂料形成的涂層/薄膜具有良好的吸波能力，可對飛行器、重型武器等裝備起到隱身作用；納米氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵和氧化鋅等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粒子，加人到樹脂中形成涂層，有很好的靜電屏蔽性能；納米結(jié)構(gòu)的Fe/Cr，F(xiàn)e/Cu，Co/Cu等多層膜系統(tǒng)具有巨磁阻效應(yīng)，可望作為應(yīng)用于高密度存儲(chǔ)系統(tǒng)中的讀出磁頭、磁敏傳感器、磁敏開關(guān)等。3.4納米氣敏薄膜

由于氣敏納米膜吸附了某種氣體以后會(huì)產(chǎn)生物理參數(shù)的變化，因此可用于制作探測氣體的傳感器。目前研究最多的納米氣敏薄膜是SnO2 超微粒膜，該膜比表而積大，且表面含有大量配位不飽和鍵，非常容易吸附各種氣體在其表面進(jìn)行反應(yīng)，是制備氣敏傳感器的極佳功能材料。3.5納米濾膜

納米濾膜是一種新型的分離膜，可分離僅在分子結(jié)構(gòu)上有微小差別的多組分混合物，它常常被用來在溶液中截留某些有機(jī)分子，而讓溶液中的無機(jī)鹽離子自由通過。目前商業(yè)化的納米濾膜的材質(zhì)多為聚酰胺、聚乙烯醇、醋酸纖維素等，這些納米濾膜除了具有微篩孔外，濾膜上各基團(tuán)往往還帶有電荷，因此，還可以對某些多價(jià)的離子進(jìn)行截留，而讓其他離子通過濾膜?，F(xiàn)在，納米濾膜已經(jīng)在石化、生化、食品、紡織以及水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。

4.納米薄膜的發(fā)展前景

納米薄膜材料的研究是納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要內(nèi)容，在許多領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應(yīng)用前景。世界上的發(fā)達(dá)國家都把納米薄膜材料的研究列入國家發(fā)展規(guī)劃中。我國對納米薄膜材料的研究也非常重視，利用新的物理化學(xué)性質(zhì)、新原理、新方法設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)性器件和納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育新的突破。相信納米薄膜材料將會(huì)在未來給人們帶來更多的驚喜。

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